“大氣探測學”本科教學改革的探索與應用

［摘 要］ 理論與實踐是“大氣探測學”課程中的兩個重要環節。以浙江大學大氣科學系“大氣探測學”課程改革為例，分析了“大氣探測學”課程改革的難點與重要性，提出了優化課程結構和知識組織、引入儀器實物、利用多媒體資源等理論教學方法，并結合實際剖析了實踐內容任務化、校內平臺建設規模化、校外實踐基地合作緊密化等實踐教學改革方法，以達到促進學生在實踐中理解理論知識、運用理論知識的目的。旨在提高學生發現問題、提出問題、解決問題的能力，培養學生的科學素養。

［關鍵詞］ 大氣探測學；理論與實踐；科學素養；教學改革

［基金項目］ 2022年度浙江省普通本科高校“十四五”教學改革項目“從教走向學——混合式教學課程融合思政教育的探索與實踐”（jg20220013）

［作者簡介］ 李衛軍（1980—），男，山西長治人，博士，浙江大學地球科學學院“百人計劃”研究員，主要從事大氣探測與大氣氣溶膠研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）32-0014-04 ［收稿日期］ 2023-07-30

引言

大氣探測指借助各類儀器和裝備對大氣的物理和化學性質進行直接或間接的探測，是大氣科學的核心學科之一［1］。“大氣探測學”是大氣科學專業的基礎必修課程，在大氣科學專業培養方案中占有重要地位［2］。專業理論教學與實踐教學是“大氣探測學”課程的兩個重要環節，即通過教師傳授專業知識，學生能夠掌握大氣探測的基本理論和探測儀器的構造及原理；實踐課程能夠幫助學生熟悉各類大氣探測儀器的操作和氣象觀測站的日常工作業務［3］。

大氣探測理論知識的廣泛覆蓋性和強大實用性使其成為實踐的重要基石。大氣探測的過程需要扎實的理論知識做支撐，天氣學、大氣物理學、大氣探測儀器原理與應用等理論知識在這一學科中交叉融合，共同構成了這門學科的基礎。實踐是“大氣探測學”課程重要的一部分，因為大氣探測的方法、原理、技術最終都需要落實到對真實大氣的觀測和實際操作中。實踐不僅可以將抽象的理論知識轉化為具體的實際應用，以驗證大氣探測理論的正確性，而且可以完善、拓展原有理論，發現新理論。在大氣探測實踐過程中，學生可以對當前學科發展階段理論的復雜性和挑戰性有更深入的理解，發現當前大氣探測理論的局限性，這對不斷完善和改進大氣探測的理論知識框架和培養大氣探測專業人才等方面有著不可忽視的作用。

大氣探測知識體系龐大，知識點分散且復雜［4］。大氣探測研究的具體對象是表征大氣狀態和成分的溫度、濕度、氣壓、風、輻射、降水、垂直探測、大氣環境等眾多要素，每一種要素都有多種探測儀器和方法，且有各自不同的探測原理。傳統課堂中通常是學生被動接受知識的教學模式，課堂效率與成效不高，學生難以掌握氣象要素錯綜復雜的探測方法和原理，不能很好地落實到實踐。

近年來，我國的大氣探測技術正在向自動化、科技化方向快速發展，傳統的教授人工儀器觀測和記錄方法的實踐課程體系已無法滿足氣象觀測站的現行業務［5］，無法滿足學生了解探測科技前沿理論、掌握最新氣象觀測方法的需求，單一的實踐設計也和內容較廣的理論知識有所脫節，學生難以深入地理解抽象理論，這對于激發學生科研興趣、培養氣象觀測人才具有不利影響。因此，如何進行“大氣探測學”課程的理論與實踐教學，處理好理論與實踐的關系，是這門課程改革的主要任務。

一、推進教學手段多樣化，在實踐中理解理論

改進教學方法和提高教學質量一直是“大氣探測學”課程改革的宗旨和核心。近年來，本課程根據大氣探測學的學科特點和發展前景積極采取措施，旨在推動課程改革，提高教學效果，使學生的基礎理論知識更加扎實。在理論學習方面，教師在傳統的班級授課中加入了多樣化的教學手段，讓抽象難懂的理論知識條理化、可視化，使學生更容易掌握大氣探測的理論要點。

為了應對大氣探測理論知識面廣、知識點分散的特點，課程改革通過修訂教學大綱，使課程系統化、條理化，注重優化課程結構和知識組織。依據浙江大學大氣科學培養方案、新時代大氣科學人才培養目標及“大氣探測學”課程特點，精心梳理設計各章節授課內容與學時。新的授課內容打破了原有的地基觀測、天基觀測和空基觀測這一傳統的分類方法，而是以探測對象為主線，按照自然現象、探測儀器、探測原理、探測方法、實際應用、科研拓展等模塊，將散亂的知識點整合成系統化的框架，同時在每堂課中引入天氣現象、氣象災害、氣候異常等真實案例分析，通過情景化引入，幫助學生將理論知識應用到實際問題中，提升他們綜合分析和解決問題的能力。

為了幫助學生更好地理解大氣探測儀器的使用方法及工作原理，在介紹每個氣象要素的探測方法時都會在課堂中引入實物儀器，講解儀器的構造與使用方法。同時，鼓勵學生積極參與課堂，親手拆開儀器觀察內部構造及其組成部分，使學生能夠更加直觀地了解儀器的功能和結構，讓抽象的理論具象化，讓看不見的理論變為看得見的實物。比如，在介紹“便攜式太陽輻射儀”的課程中，太陽輻射儀的內部構造和電路連接原理容易被忽視，在教學時拆解輻射儀，觀察其感應裝置，并與教師互動討論，探討儀器工作的細節和技術要點，有利于學生構建更深入、更全面的知識體系。

通過引入現代教育技術和多媒體資源，對課件內容和形式進行了優化，以提升教學效果。借助網絡學習資源和交互式多媒體課件等工具，更生動、直觀地展示和講解抽象的概念和原理，激發學生的學習興趣，提高參與度。在課件中，嵌入了大量的儀器演示視頻和三維動畫，讓原本枯燥、抽象的大氣探測原理變得更加生動、直觀和易于理解，從而有效提高教學效果。例如，在《云的識別》章節中，教師在課件中插入了不同種類云的圖像，涵蓋了三族十屬的云圖直觀地展示了不同云的高度和形態特征的差異，并通過諺語、動畫等形式幫助學生記憶和理解，引導學生在生活中養成觀察和探索的習慣，極大地激發了學生的學習興趣。

二、提高學生動手能力，在實踐中運用理論

隨著觀測儀器的更新迭代和氣象業務的快速發展，目前氣象觀測站已普遍采用自動觀測系統來代替傳統的人工手動觀測。這種變化對大氣探測實踐教育帶來了新的挑戰，提出了新的需求，傳統的單一人工觀測實踐課程已無法適應當前日益復雜的氣象業務和技術要求。為了提高教學質量，適應新的氣象觀測模式和技術，本課程根據“立足當前、面向未來、兼顧歷史”的原則對“大氣觀測實踐”課程積極進行改革［6］。為了使學生更好地結合理論知識與實踐，在教學大綱中安排了16學時的實踐課程。由于人工觀測儀器的構造和工作原理是大氣探測的基礎，這一內容仍被保留在實踐教學大綱中，在此基礎上，為了更貼近實際氣象業務，在實踐課程中增加了更多的自動觀測系統的應用和數據處理。通過實踐課程，讓學生在動手中領悟、在領悟中動手，更好地掌握大氣探測儀器的基本原理，了解氣象觀測站現行業務［2］。

為了使學生能夠將課堂上學到的理論知識與實際應用相聯系，在實踐課程中將觀測內容任務化［7］，引導學生利用所學知識，親自操作大氣探測儀器并進行數據處理和分析。如在“氣壓的測量”實踐課程中，要求學生自訂實驗方案，利用空盒氣壓表、動槽式水銀氣壓表、定槽式水銀氣壓表等多種儀器測量氣壓，并進行溫度訂正、重力訂正、高度訂正等一系列數據分析處理。這要求學生綜合運用儀器操作技巧、氣象知識和數據處理技能，從而加深對儀器原理和技術要點的理解。通過這樣的實踐鍛煉，學生眼、手、腦并用，培養了學生的實踐能力，提高了技術熟練度。

為了使理論教學與實踐教學聯系更加緊密，加大了校內觀測平臺、實驗室的建設力度，為學生提供了在學習理論知識時觀察相應大型儀器的機會，學生能夠親眼見到各種先進的監測設備和儀器，了解這些儀器在觀測中的應用，以及它們的原理和操作方法，激發了學生對科研的興趣，為他們未來的學術和職業發展提供了動力。

三、理論與實踐相結合，共同提高學生科學素養

高校加強與氣象觀測站、實習基地和氣象行業的合作。通過實地參觀和與工作人員的互動，學生能夠了解觀測儀器的操作流程和注意事項，以及行業中的最新技術和應用趨勢。浙江大學大氣科學系與杭州市氣象局達成實習合作，在“大氣探測學”實踐課程中，學生會到杭州市環境氣象中心國家基準氣候站與工作人員一同進行觀測活動，如實地觀摩探空氣球垂直探測，與觀測站業務人員進行深入交流，這不僅提高了學生的動手操作能力，還使他們對觀測工作的細節和挑戰有了更深入的認識。

課程改革的核心目標是培養學生的科學素養，使學生具備自主發現問題、探索問題和解決問題的能力［8］。為了實現這一目標，高校必須不斷促進理論與實踐更好地結合。缺少理論的實踐是無源之水，缺少實踐的理論則是紙上談兵，兩者相輔相成，共同發揮作用。課程建設和改革已初見成效，通過理論與實踐的結合，學生的科學素養明顯提高。

為了更好地培養學生的科學素養，部分課程內容采用項目化教學模式［9］，教師引導學生以小組為單位自行確定研究主題，按照科學探究的步驟，即提出問題、進行猜想和假設、制訂計劃和設計實驗、獲得事實與證據、檢驗與評價、表達與交流，展開項目研究。在大氣探測內容中，《云的觀測》是一個重點內容，在制定本章教學大綱時，為了激發學生學習的積極性和主動性，我們轉變了教學策略，引導學生長期觀察生活中的云，發現科學問題，自主確定研究選題，通過查閱資料、小組討論、利用校內平臺的云高儀數據、結合天氣觀測結果等手段對云的特征、分類和演變特征進行拍照和錄像并詳細描述，同時對先前的科學問題提出解決措施，在期末考試前以小組形式進行PPT匯報展示。

在項目化教學前期，教師通過理論講解，將實踐經驗與科學原理相結合，幫助學生建立科學知識框架，激發學生的學習興趣。在項目化教學中期，教師可以引導學生發現問題或給予學生關于問題的建議，鼓勵學生通過實踐和理論學習逐步解決問題，在學生遇到困難時給予點撥而不是一味地講述理論。問題驅動的教學方式可以培養學生的探究精神和解決問題的能力，加深其對理論知識的理解和應用。在項目化教學后期，應制定合理的評價方式，可以用報告、展示、課堂討論等方式代替考試進行評價，這種評價方式改變了傳統的書本知識考查唯一化方式，提升了學生的學習興趣和科學素養（如圖1所示）。

在這一過程中，教師轉變了傳統的課堂單一授課的身份，而是作為項目的主導者，在理論和實踐兩方面引領學生參與整個項目。學生在探究的過程中加深對理論的理解，并通過實踐獲得經驗和知識。這種探究性學習模式培養了學生的自主學習能力、問題解決能力和團隊合作能力。教師不僅是知識的傳授者，更是學生學習的引導者和指導者。

結語

大氣探測課程改革要注重理論與實踐有效結合的方法和策略，培養學生自主探究的科學素養。在理論教學過程中，可以運用現代教育技術和多媒體資源讓抽象的知識點可視化、情境化，使學生更容易接受。在設計實驗課程大綱時，應拓展思路，積極探索，設計可以幫助學生更好應用理論知識的實踐項目，引導學生提出問題從而促進學習，著重培養學生的創新思維能力、獨立思考能力和解決實際問題的能力。只有與大氣探測的發展趨勢相結合，才能讓學生打下堅實的理論與實踐基礎。該課程不僅為大氣科學專業學生學習后續的必修課程（如“大氣物理”“大氣化學”“天氣學”“大氣輻射”等）打下了良好的基礎，而且可以使其在畢業后迅速適應氣象部門的工作崗位需求。綜合應用理論與實踐相結合的方式，持續進行改革，培養新時代大氣科學人才。

參考文獻

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［2］張培昌，顧松山，王振會，等.氣象萬千探本索源：南京信息工程大學“大氣探測學科”發展歷程回顧與展望［J］.大氣科學學報，2021，44（2）：165-177.

［3］張文煜，仝紀龍，袁鐵，等.“大氣探測學”精品課程的建設思路及效果分析［J］.高等理科教育，2007（6）：31-33.

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［5］楚志剛，吳迪.新形勢下如何有效開展《大氣探測學》實踐教學［J］.教育教學論壇，2015（47）：152-153.

［6］李艷偉，牛生杰.有關《大氣探測》課程建設的幾點思考［J］.氣象教育與科技，2006（3）：4.

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［8］仝紀龍，王皓，張文煜，等.有效運用科學哲學思想促進“大氣探測學”精品課程建設［J］.高等理科教育，2009（5）：92-94.

［9］夏雪梅.學科項目化學習設計：融通學科素養和跨學科素養［J］.人民教育，2018（1）：61-66.

Exploration and Application of Teaching Methods for Combining Theory and Practice in

Atmospheric Sounding： Taking the Teaching Method of Combining Theory and Practice as the Center

LI Wei-jun， SHU Shou-juan， CAO Long， BI Lei

（School of Earth Sciences， Zhejiang University， Hangzhou， Zhejiang 310058， China）

Abstract： Theory and practice are two important components in the course of Atmospheric Measurements. Taking the reform of the Atmospheric Measurements course in the Department of Atmospheric Sciences of Zhejiang University as an example， this paper analyzes the challenges and significance of the reform of Atmospheric Measurements， puts forward the optimization of the course structure and knowledge organization， introduces the instrument in physical form， utilizes the multimedia resources， etc. Furthermore， this paper analyzes the teaching reform methods such as tasking the practical content， increasing the construction of on-campus platforms， and strengthening the cooperation of off-campus practice bases in combination with practice， so that students can understand the theory in practice and apply the theory in practice. This paper aims to improve students’ ability to find problems， raise problems and solve problems， so as to cultivate students’ scientific literacy.

Key words： Atmospheric Measurements; theory and practice; scientific literacy; teaching reform